LOẠI BỎ NITƠ BẰNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG HẠT PVAGEL LÀM VẬT LIỆU MANG

Hội nghị Khoa học Công nghệ Đại học Xây dựng lÇn thø 15 LOẠI BỎ NITƠ BẰNG Q TRÌNH ANAMMOX SỬ DỤNG HẠT PVA-GEL LÀM VẬT LIỆU MANG TS Trần Thị Hiền Hoa KS Lương Ngọc Khánh, Trường Đại học Tổng hợp Kumamoto, Nhật Bản GS.TS Kenji Furukawa, Trường Đại học Tổng hợp Kumamoto, Nhật Bản Tóm tắt: Sử dụng vật liệu mang cho việc ni cấy bùn ơxy hóa kỵ khí amơni hay gọi bùn anammox (anaerobic ammonium oxidation) quan tâm Trong nghiên cứu này, hạt PVA-gel lựa chọn làm vật liệu mang cho bùn anammox ứng dụng cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động hay gọi FBR (fluidized-bed reactor) Một bơm tuần hoàn sử dụng với lưu lượng - L/phút nhằm trì điều kiện lưu động Nồng độ NH4-N NO2-N điểm vào cột phản ứng tăng dần đến 300 mg N/L Với thời gian lưu nước từ 16 h đến h pha 1, hiệu loại bỏ trung bình NH4-N NO2-N khoảng 81 % 92 % Với thời gian lưu nước từ h đến h pha 2, hiệu loại bỏ trung bình NH4-N 77 % NO2-N 89 % Tỷ lệ loại bỏ amôni tổng nitơ pha tăng đến 0,71 1,35 kg N/m3/day Tỷ lệ loại bỏ amôni tổng nitơ cao pha 1,5 3,0 kg N/m3/day Vi khuẩn anammox bám bề mặt lớp mỏng phía hạt PVA-gel Tuy nhiên, vi khuẩn anammox không bám vào lõi hạt PVAgel B B B B B B B B B B B B P P P P Từ khóa: anammox, amơni, tầng lưu động, FBR, nitrit, hạt PVA-gel Giới thiệu Loại bỏ nitơ trình sinh học truyền thống nitrat hóa tự dưỡng khử nitrat dị dưỡng áp dụng phổ biến Tuy nhiên, q trình anammox (ơxy hóa kỵ khí amơni) phát cách 10 năm1) Q trình dựa chuyển hóa lượng từ việc ơxy hóa kỵ khí amơni sử dụng nitrit làm chất nhận electron sản phẩm tạo thành khí nitơ điều kiện tự dưỡng2) Trong quy trình chuyển hóa anammox, hydroxylamine (NH2OH) hydrazine (N2H4) đóng vai trò chất trung gian quan trọng3) Phản ứng hóa học lượng pháp q trình anammox mơ tả sau4): NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13H+ → 1.02 N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O P P P B P P B PB P B B B B P B P P B PB P B B B PB P B P PB P P B B B B B B B B Tồn q trình cần 50% lượng ơxy so với phương pháp nitrat hóa – khử nitrat truyền thống, không cần bổ sung nguồn cacbon hữu Đây trình loại bỏ nitơ phù hợp với loại nước thải chứa cacbon5); nữa, bùn sinh khơng đáng kể, lựa chọn có hiệu kinh tế việc loại bỏ nitơ P P Héi nghÞ Khoa häc Công nghệ Đại học Xây dựng lần thứ 15 Trong nghiên cứu này, hạt PVA-gel sử dụng làm vật liệu mang cho bùn anammox cột phản ứng có tầng vật liệu lưu động (FBR) FBR thiết kế nhằm mục đích giảm nồng độ chất điểm vào cột phản ứng cách sử dụng lưu lượng nước tuần hồn lớn Thêm vào đó, hạt PVA-gel trì tiếp xúc tốt với chất điều kiện lưu động Mục đích nghiên cứu đánh giá khả loại bỏ amôni bùn anammox sử dụng hạt PVA-gel hệ thống FBR Phương pháp luận 2.1 Mơ hình thí nghiệm Nitrogen gas controller Pre column Effluent outlet Port Recycling pipe Water seal Peristaltic pump Tổng thể tích cột phản ứng 4,06 L thể tích phần chất lỏng, bao gồm vùng phản ứng vùng lắng 3,55 L Vùng phản ứng chứa vật liệu mang có đường kính 7,4 cm cao 50 cm với thể tích 2,15 L, thể tích sử dụng để xác định thời gian lưu nước Mơ hình hệ thống FBR thể Hình Khí nitơ thu lại túi plastic pha bình thu khí pha Các hạt PVA-gel lưu động vùng phản ứng Nước thải tổng h ợp đưa vào từ đáy cột phản ứng bơm nhu Effluent tank động (Eyela Co., Ltd., Tokyo) Một b ơm truyền động từ (Iwaki Co., Ltd., Influent tank Recycling Tokyo) dùng để tuần hoàn nước Influent pump inlet nhằm trì điều kiện lưu động với lưu lượng – L/min vận tốc tuần Hình Sơ đồ hệ thống cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động hoàn 84 - 98 m/h Nhiệt độ cột phản o o ứng 33 C to 35 C trì thiết bị ổn nhiệt Hàng ngày, khí nitơ sục vào bể chứa nước thải tổng hợp nhằm đẩy ôxy khỏi bể giữ nồng độ ơxy hòa tan bể nhỏ 0,5 mg/L R R R R R R P P P P 2.2 Đặc tính vật liệu mang Các hạt PVA-gel có đường kính mm (Hình 2a) với thể tích rắn khoảng 10% trọng lượng riêng 1.025, làm cho chúng dễ dàng lưu động nước Các hạt có tính thấm nước có cấu trúc lỗ rỗng Hình 2b (Kuraray Co., Osaka, Japan) Héi nghị Khoa học Công nghệ Đại học Xây dựng lần thø 15 Hình 2b Cấu trúc vi mơ hạt PVA-gel Vạch kẻ ngang 10 μm Hình 2a Các hạt PVA-gel Vạch kẻ ngang mm 2.3 Nguồn nuôi cấy hạt PVA-gel Các hạt PVA-gel nuôi cấy từ cột phản ứng tầng vật liệu cố định đưa vào hệ thống FBR Trong pha 1, tổng dung tích hạt PVA-gel 0,8 L với 0,7 L hạt PVA-gel nuôi cấy 0,1 L hạt PVA-gel Trong pha 2, 0,2 L hạt PVA-gel ni cấy bổ sung vào tổng dung tích hạt lúc 1,0 L 2.4 Nước thải tổng hợp Bảng Thành phần nước thải tổng hợp Nước thải tổng hợp chứa thành phần amôni nitrit chuẩn bị hợp chất (NH4)2SO4 NaNO2, với thành phần khoáng Bảng B B B B B B B B Thành phần (NH4)2SO4 NaNO2 KHCO3 KH2PO4 FeSO4.7H2O EDTA Nước máy B B B B B B Nồng độ 25-300 (mg N/L) 25-300 (mg N/L) 125 (mg/L) 54 (mg/L) (mg/L) (mg/L) 1,0 L B B B B B B B Kết thảo luận B B B B B 3.1 Hiệu loại bỏ hợp chất chứa nitơ Hình mơ tả nồng độ điểm vào điểm hợp chất chứa nitơ trình nghiên cứu Vào ngày 73 (Hình 3, vùng 1), nồng độ NH4-N NO2-N điểm cao khoảng 70 mg N/L 40 mg N/L, vi khuẩn anammox chưa kịp thích nghi tăng nồng độ NH4-N NO2-N điểm vào giảm thời gian lưu nước từ 16 xuống 12 h Vào ngày 280 (vùng 4), giảm thời gian lưu nước từ 11 xuống h, nồng độ NH4-N NO2-N điểm vào phải giảm từ 250 mg N/L xuống 200 mg N/L để tránh tình trạng sốc cho vi khuẩn tải trọng cao Do đó, nồng độ NH4-N NO2-N điểm giảm từ 84 mg N/L 62 mg N/L (ngày 287) xuống 35 mg N/L mg N/L (ngày 309) Hơn nữa, việc vận hành hệ thống gặp trục trặc vùng 2, 3, (do cố kỹ thuật) gây ảnh hưởng xấu cho vi khuẩn cần giảm tải trọng phép hệ thống B B B B B B B B B B B B B B B B Héi nghÞ Khoa häc Công nghệ Đại học Xây dựng lần thứ 15 B B Với thời gian lưu nước từ h đến h pha 2, hiệu loại bỏ trung bình NH4-N NO2-N thấp trước với 77% 89% Khi thời gian lưu nước giảm từ h xuống h, hiệu loại bỏ trung bình NH4-N 70% NO2-N 86% B B B B B B 16h h 300 8h hrs 7h hrs 6h h5h 4h h 3h.5h h hrs 3h 11h 12h 9h 250 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 600 Th ời gian (ngày) Time (days) R B Hình Biến đổi nồng độ hợp chất chứa nitơ B ▲NH4-N điểm vào, U NH4-N điểm ra, ‘ NO2-N điểm vào, ¡ NO2-N điểm ra, + NO3-N điểm R R B B B R B R 16h Khởi động 700 T-N Concentration (mgN/L) Nồng độ tổng nitơ (mg N/L) N/L) Hình cho thấy biến đổi nồng độ tổng nitơ điểm vào điểm hiệu loại bỏ tổng nitơ Trong pha 1, hiệu loại bỏ trung bình tổng nitơ khoảng 77% (khơng tính vùng 4) Vào ngày 361, với thời gian lưu nước h, nồng độ tổng nitơ điểm vào 606 mg N/L điểm 101 mg/L, hiệu loại bỏ tổng nitơ 83% Tuy nhiên, vào ngày 365, hệ thống FBR phải khởi động lại hỏng bơm tuần hoàn Pha R B R B B B B Pha Pha 11h 12h B 9h 600 100 80 500 60 400 300 40 200 20 100 HiệuT-N quảremoval loại bỏefficiency tổng nitơ(%) (%) B 350 Pha 8h 7h 6h 5h 4h 3.5h 3h B Khởi động Nồng độ (mg N/L) (mg/L) Nitrogen concentration phục hồi Với thời gian lưu nước từ 12 h đến h pha 1, hiệu loại bỏ trung bình NH4-N NO2-N 81% 92% 0 100 200 300 400 Th ời(days) gian (ngày) Time 500 600 R Hình Biến đổi nồng độ hiệu loại bỏ tổng nitơ Tổng nitơ điểm vào, ‘ Tổng nitơ điểm ra, UHiệu loại bỏ tổng nitơ Trong pha từ ngày 365 đến 564 (khơng tính vùng 6), hiệu loại bỏ trung bình tổng nitơ khoảng 75% Vào ngày 459, với thời gian lưu nước h, nồng độ tổng nitơ tối đa điểm vào 611 mg/L hiệu loại bỏ tối đa tổng nitơ 85%, thời điểm đạt kết Héi nghÞ Khoa học Công nghệ Đại học Xây dựng lần thứ 15 tương tự ngày 361 trước Các kết cho thấy hệ thống FBR phục hồi sau tháng khởi động lại Trong pha từ ngày 565 đến 617, hiệu loại bỏ trung bình tổng nitơ thấp trước khoảng 70% với nồng độ tổng nitơ điểm vào 550 500 mg N/L Kết đạt thấp so với kết pha thời gian đầu pha Điều thời gian lưu nước ngắn với 3,5 h h Nói chung nghiên cứu khác, thời gian lưu nước không nhỏ h1,6) P P 3.2 Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ amôni P P Pha 11h 12h 8h hrs 7h hrs 6h hrs 5h 4h h3.5h hrs 3h hrs 16h hrs 3.5 Pha 9h 3.0 P 2.5 P P P Khởi động Tải trọng (kg N/m T-N loại R Rbỏ(kgN /m3/ngày) /day) Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ amôni trình bày Hình Trong 244 ngày pha 1, tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ tăng từ 0,27 đến 1,35 kg N/m3/ngày với nồng độ tổng nitơ tăng dần từ 200 đến 600 mg N/L thời gian lưu nước từ 12 h đến h Tỷ lệ loại bỏ amôni tăng từ 0,13 đến 0,71 kg N/m3/ngày 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Tỷ lệ loại bỏ tổng 100 200 300 400 500 600 nitơ amôni đạt Th ời gian (ngày) Time (days) cao nghiên cứu Hình Biến đổi tải trọng loại bỏ tổng nitơ 3,0 kg amôni ¡ Tổng nitơ, cAmôni N/m3/ngày 1,5 kg N/m /ngày, xảy pha Tuy nhiên, 53 ngày cuối pha (từ ngày 565 đến 617), tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ amôni 3,0 kg N/m3/ngày 1,6 kg N/m3/ngày hiệu loại bỏ tổng nitơ lại thấp so với thời gian đầu pha (chỉ 70%) thời gian lưu nước ngắn với 3,5 h h R P P P P P P P P 3.3 Quan sát dính bám vi khuẩn anammox hạt PVA-gel kính hiển vi điện tử qt Hình thể quan sát thấy vi khuẩn anammox bám bề mặt (Hình 6a) lớp mỏng phía hạt PVA-gel (Hình 6b) Tuy nhiên, vi khuẩn anammox không bám vào lõi hạt PVA-gel (Hình 6c) Hiện tượng vi khuẩn hình thành lớp màng kín mặt ngồi đường kính lỗ rỗng mặt ngồi (10 µm) nhỏ đường kính lỗ rỗng lõi hạt (20 µm) làm cho vi khuẩn khó xâm nhập vào lõi hạt Héi nghÞ Khoa học Công nghệ Đại học Xây dựng lần thứ 15 (a) (b Hình Vi khuẩn anammox bám hạt (c) PVA-gel sau 15 tháng vận hành hệ thống (a) Bề mặt hạt PVA-gel; (b) Lớp mỏng phía hạt PVA-gel; (c) Lõi hạt PVA-gel Kết luận Trong pha 1, hiệu loại bỏ trung bình tổng nitơ khoảng 77% Với thời gian lưu nước h nồng độ tổng nitơ điểm vào 606 mg N/L, hiệu loại bỏ tổng nitơ 83% Trong pha 2, với thời gian lưu nước từ h đến h, hiệu loại bỏ tổng nitơ đạt khoảng 75% cao Hơn nữa, với thời gian lưu nước h nồng độ tổng nitơ điểm vào 605 mg/L, hiệu loại bỏ tổng nitơ đạt 83% Tuy nhiên, hiệu loại bỏ tổng nitơ giảm 70% thời gian lưu nước giảm từ h xuống h Tỷ lệ loại bỏ tổng nitơ đạt cao với 1,35 kg N/m3/ngày (tỷ lệ loại bỏ amôni 0,71 kg N/m3/ngày) pha 3,0 kg N/m3/ngày (tỷ lệ loại bỏ amôni 1,5 kg N/m3/ngày) pha Vi khuẩn anammox bám bề mặt lớp mỏng phía hạt PVA-gel khơng bám vào lõi hạt PVA-gel Hiện tượng vi khuẩn hình thành lớp màng kín mặt ngồi đường kính lỗ rỗng mặt ngồi nhỏ đường kính lỗ rỗng lõi hạt làm cho vi khuẩn xâm nhập vào lõi hạt Thời gian lưu nước không nên ngắn nên trì mức từ h trở lên Việc vận hành hệ thống cột phản ứng với tầng vật liệu mang lưu động trì điều kiện nước tuần hồn khó khăn phức tạp Vì đòi hỏi phải giám sát chặt chẽ hoạt động hệ thống đề phòng cố kỹ thuật xảy P P P P P P P P Hội nghị Khoa học Công nghệ Đại học Xây dựng lần thứ 15 TI LIU THAM KHẢO Mulder A., Van de Graaf A.A., Robertson L.A & Kuenen J.G Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor FEMS Microbiol Ecol., 16, 177–183 (1995) Jetten, M.S.M, Strous, M., van de Pas-Schoonen, K.T., Schalk, J., van Dongen, U.G.J.M., van de Graaf, A.A., Logemann, S., Muyzer, G., van Loosdrecht, M.C.M and Kuenen, J.G The anaerobic oxidation of ammonium FEMS Microbiol Rev 22, 421-37 (1999) Jetten M.S.M., Schmid M., Schmidt I., Wubben M., Van Dongen U., Abma W., Sliekers O et al Improved nitrogen removal by application of new nitrogen-cycle bacteria Reviews in Environmental Science & Bio/Technology, 1, 51–63, (2002) Strous M., Heijnen J.J., Kuenen J.G and Jetten M.S.M The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammoniumoxidizing microorganisms Appl Microbiol Biotechnol., 50, 589–596 (1998) Van de Graaf A.A., De Bruijn P., Robertson L.A., Jetten M.S.M and Kuenen, J.G Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms in a fluidized bed reactor Microbiology, 142, 2187–2196 (1996) Strous M., Van Gerven E., Zheng P., Gijs Kuenen J and Jetten M S M Ammonium removal from concentrated waste streams with the anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process in different reactor configurations Wat Res., 31, 1955-1962 (1997)